基于热敏感电参数法的大容量IGBT模块动态结温在线检测研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在风力发电等大功率系统中应用广泛,其可靠性越来越受到学术界和工业界重视,鉴于结温是影响IGBT模块可靠性的重要因素,国内外学者提出了诸多基于热敏感电参数的结温提取方法,然而较少涉及大容量IGBT模块动态结温在线监测和测试的研究。设计和搭建了基于H桥拓扑的兆瓦级应用工况复现平台,可开展大功率变流系统的运行工况型式测试。以关断延迟时间为热敏感电参数,简要论述了其与器件结温和负载电流等运行工况的相关性,并通过实测构建了三维数据库。基于运行工况复现平台,研究了大容量IGBT模块在不同基波频率下的结温波动特征,并通过模块内置的负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻进行结温波动对比,验证了以关断延迟时间进行IGBT模块结温在线提取和检测具有灵敏度高、响应速度快和易于集成的优点。     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

用于IGBT模块结温预测的热-电耦合模型研究

随着IGBT模块功率等级及密度的提高,因功率损耗而导致芯片温升加剧进而导致变流系统崩溃的问题愈发突出。对功率器件及散热系统的深入研究有助于功率器件封装设计、器件选型、系统布局以及逆变器的可靠运行。本文通过有限元分析方法对IGBT模块和散热系统的瞬态热阻抗进行了提取,所得结果与厂商数据手册吻合,而且通过所用方法验证了热阻抗曲线的普适性,最后利用热特性RC等效网络建立热-电耦合模型,可对芯片动态结温进行预测。     

大功率IGBT模块结温提取研究

为了提高大功率功率变换器的可靠性,需要对大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块进行温度监测,到目前为止,该领域对高压IGBT的研究很少。本文搭建了双脉冲实验平台,对4.5 kV、1.2 kA IGBT模块开关瞬态时的热敏感电参数进行了测量,并对每个参数是否适用在线结温提取以及预期成本进行了讨论。结果表明,大多数参数除温度外还强烈依赖于负载电流和母线电压,最合适的结温提取参数是准阈值电压和开通时集电极电流变化率,它们都可以通过IGBT的寄生电感来获取。     

基于大电流通态压降的IGBT功率模块结温监测方法的研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)是限制新能源汽车可靠性和成本的关键因素。结温监测能够提升IGBT功率模块的功率密度,提高系统可靠性,降低成本。基于此,提出一种基于大电流通态压降的IGBT功率模块结温监测方法。首先分析通态压降与结温之间的关系,然后设计通态压降结温校准电路,并基于小电流通态压降对校准结果进行验证。最后,分别使用数学模型和神经网络模型拟合结温和通态压降的关系,对基于模型对结温进行预测。结果证明,大电流通态压降能够准确测量结温。     

一种新型的基于Vce-on的IGBT模块结温实时估测法*

文中提出了一种新型的利用通态V_(ce-on)实时估测结温的方法。首先分析了被测IGBT模块通态V_(ce-on)与温度的相关性,然后通过软件提取了模块的互连材料参数,该方法大大降低了实验成本,操作也更加简便。最为重要的是,充分考虑了内部材料电阻对IGBT模块结温的影响,并对其进行了补偿。最后,通过比较红外摄像仪测量结果和实时估测结温验证了该方法的有效性。     

风电变流器IGBT模块工作结温估算研究

针对风电变流器中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)工作结温估算精度低、难度大的问题,分析了IGBT模块的伏安特性和温敏特性,进而建立了一种基于饱和压降的结温估算物理模型;通过IGBT模块的伏安特性和温敏特性试验,获取了IGBT模块在不同集电极电流下的饱和压降温敏特性曲线,进而基于饱和压降提出了一种结温估算数学模型。研究结果表明,物理模型相比数学模型精度较高,但需获取器件各物理参数准确值,建模过程较复杂;数学模型无需了解器件物理机理,但精度相对较低。实际风电工况中可根据精度需要选择物理模型或数学模型,这为IGBT模块和风电机组的状态监测和安全评估提供了一种新思路。     

IGBT模块在线结温预测方法对比研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块以其驱动简单、功率等级高、功耗小、热稳定性好等优点,被广泛应用于光伏发电、航空航天、电动汽车、船舶等各类电力电子设备中。IGBT模块作为电力电子设备的核心部件,其可靠性一直都是制造商与用户重点关注的问题,而结温波动被认为是导致IGBT模块失效的主要原因。因此,如何估算或测量IGBT模块的结温是研究IGBT模块可靠性的重点。此处对常见的热敏感电参数(TSEP)进行分析,并通过IGBT模块双脉冲测试平台进行了实验对比,实验结果表明相比较于其他TSEP,关断时间对结温的灵敏度更高,线性度更好,为最佳TSEP。     

基于开关周期的IGBT模块功率损耗和结温计算

<正>为计算逆变器IGBT模块功率损耗和结温,通过分析逆变器中IGBT模块的工作方式,建立了基于开关周期平均功率损耗的IGBT模块电热耦合模型。该模型以IGBT开关周期为基本单位,结合IGBT功率损耗计算方法,通过分析每个开关周期     

基于开通密勒平台电压的IGBT模块结温估计研究

已有研究表明,绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的可靠性与结温波动密切相关,如能准确地实时测量IGBT的结温,对可靠性的研究具有重要意义。依据温敏电参数法,该文提出一种基于栅极电压开通密勒平台的结温估计方法。首先分析IGBT栅极寄生电容的物理特性与温度的关系,得到栅极开通过程中密勒平台电压与结温线性相关;然后提出采用恒流驱动电路延长栅极电压开通过程中密勒平台持续时间,使其温敏感度与温线性度更高,可拟合出密勒平台值和结温间的线性关系;最后采用该方法对IGBT模块的结温估算进行实验验证,并与采用红外测温仪实时测量的结温进行对比,验证了所提方法的可行性和准确性。     

IGBT模块结温变化下的电磁干扰特性研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电力变换装置中的重要器件,评估其可靠性至关重要。IGBT的结温及结温波动是造成其失效的主要原因,如何判定结温波动成为一个研究难点。通过分析IGBT的结构与结温特性、结温机理和结温波动对开关过程的影响及开关波形的频域模型,可以得出结温升高会导致IGBT模块工作过程中产生的电磁干扰变小,然后通过实验验证。实验测试结果表明,基于电磁干扰强度的结温估计或结温波动估计方法切实可行。     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。     

IGBT模块结温估计方法及其温度特性研究

为了准确快速地估计结温,研究了IGBT模块的温度特性及基于温度敏感电参数TSEP(temperature sensitive electrical parameters)的结温估计方法。首先在不同壳温的条件下,测量IGBT开关过程中的门极-射极电压Vge、集电极-射极电压Vce和集电极电流Ic,并以上述参数作为TSEP;然后分析了TSEP随温度变化的机理,研究了TSEP典型特征与温度的关系,并将其量化;最后提出一种准确的IGBT结温估计方法。实验测试结果表明,基于TSEP的典型特征的结温估计方法切实可行。     

基于集总参数法的IGBT模块温度预测模型

从IGBT模块的内部结构和故障机理分析,得到影响IGBT模块可靠性的主要因素是温度的结论,而IGBT模块各层的温度是很难用实验的方法测取的。为了解决这一问题,在分析IGBT模块内部导热机理的基础上,利用瞬时非稳态导热的集总参数法建立热网络模型,并给出热损耗值、等效热阻、等效热容的提取方法。通过与制造商提供的IGBT模块结温实验数据、实测的底板温度和有限元模型相比较,热网络模型温度预测误差小于5%。     

一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在工业领域应用广泛,但IGBT结温易受工况变化及其所处散热环境影响,散热通道不畅会使IGBT模块处于高温状态,长期在高温状态下工作严重影响器件使用效率。由此,提出一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法。将IGBT模块各功能层抽象为一个热阻模型,通过建模仿真获得某确定工况下IGBT的估计结温。在同工况下,通过实验采集IGBT温度值,将建模结果与实验结果相验证,进而证明基于阻抗模型的IGBT结温估计的准确性。     

基于组合短路电流的不受老化影响的IGBT模块结温测量方法

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的结温精确在线测量对于功率变流器的热管理及可靠性研究具有重要意义。然而目前绝大多数温敏电参数都受到器件老化的影响,无法准确地描述老化进程中器件的结温信息。由于短路电流作为温敏电参数时,其测量结果受器件键合线老化的影响。为此,文中提出一种基于组合短路电流的IGBT模块结温测量方法,该方法可以消除键合线老化的影响。通过理论分析和模拟剪线实验分析键合线老化对所提结温测量方法的影响,并搭建实验平台,验证所提方法在运行变流器中在线测量结温的可行性。理论分析和实验结果表明,所提方法不仅能消除键合线老化对结温测量的影响,还具有线性度好、灵敏度较好及在线测量的优点。     

基于结温监测的风电IGBT热安全性和寿命耗损研究

针对风电变流器中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块,研究模块结温实时监测方法及基于结温序列的模块热安全性和寿命耗损的评估方法。建立IGBT模块结温实时监测模型,该模型主要包括计及风速的风机模型和计及环境温度的电热耦合模型。对监测到的IGBT模块实时结温序列进行短时间尺度的特征参数序列提取,进而对模块进行热安全性评估,基于Lesit寿命模型和线性损伤累积理论对模块寿命耗损进行定量研究。结果表明,冬天影响IGBT模块安全性的因素主要是温度波动,夏天影响IGBT模块安全性的因素包括温度波动和高值温度(即某时段温度序列概率最大值对应的温度),温度差值是造成IGBT损伤的主因之一,风电IGBT模块夏天的寿命耗损远远高于冬天。     

基于IGBT结温波动平滑控制的主动热管理方法综述

IGBT作为功率变流器的核心器件,被广泛应用于电动汽车、轨道交通、航空航天和电力系统等领域,由于功率变流器的运行环境复杂多变,处理功率大幅波动,导致IGBT内部结温发生剧烈变化,器件在热应力持续作用下引起疲劳老化失效,进而影响系统运行可靠性的问题已受到业界的普遍关注和高度重视.近年来,国内外学者围绕如何通过内部热管理来...     

功率IGBT模块热网络参数提取研究综述

功率IGBT模块热网络参数与IGBT的可靠性密切相关。介绍了Foster热网络和Cauer热网络参数的获取方法。Foster热网络参数通过瞬态热阻抗曲线的指数级拟合得到,根据获得瞬态额阻抗曲线方式的不同,又可以分为直接测温法、有限元法、温敏参数法和双界面瞬态测量法;Cauer热网络参数除了利用瞬态热阻抗曲线拟合方式得到,还可以根据器件的封装结构计算获得。探讨了现阶段热网络参数获取存在的主要问题,指出根据IGBT功率器件在正常运行过程中的相关测量,对热网络参数直接进行在线识别,可减少因热网络参数测量而造成的损失,对于结温的实时估测和寿命预测至关重要。